DD208324A1

DD208324A1 - Verfahren zur ermittlung energieoptimaler fahrregime fuer schienenfahrzeuge des stadt- und vorortverkehrs

Info

Publication number: DD208324A1
Application number: DD82241723A
Authority: DD
Inventors: Sebastian Grosse; Peter Horn; Axel Winkler
Original assignee: Sebastian Grosse; Peter Horn; Axel Winkler
Priority date: 1982-07-16
Filing date: 1982-07-16
Publication date: 1984-05-02
Also published as: DD208324B1

Abstract

Das "Verfahren zur Ermittlung energieoptimaler Fahrregime fuer Schienenfahrzeuge des Stadt-und Vorortverkehrs" bezieht sich auf die Einsparung von Traktionsenergie im vorzugsweise elektrischen Zugbetrieb sowie auf teilautomatisierte Steuerungen von Schienenfahrzeugen. Das Ziel der Erfindung ist eine technisch und oekonomisch effektive Form der energiesparenden Zugsteuerung, deren Realisierungsaufwand ohne Verminderung von Genauigkeit und Empfindlichkeit minimal ist. Die Grundlage hierfuer bildet erfindungsgemaess ein neuartiges Berechnungsverfahren, das auf gegebene algorithmische und geraetetechnische Moeglichkeiten der Mikrorechentechnik aufbaut. Dabei werden durch Nutzen von im Rahmen vorausgegangener Simulations- und Optimierungsrechnungen ermittelten funktionalen Zusammenhaengen zwischen den Umschaltpunkten der einzelnen Fahrregimephasen und der Fahrzeit fuer jede einer aktuellen Fahrplanlage zuzuordnende Fahrzeitvorgabe optimale Fahrstrategien synthetisiert. Als Anwendungsgebiet der Erfindung kommen vor allem der schienengebundene elektrisch betriebene Stadt-, Vorort- und Persohnenzugverkehr sowie durch aehnliche Betriebsverhaeltnisse charakterisierte Verkehrssysteme in Frage.

Description

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Titel der Erfindung;

Verfahren zur Ermittlung energieoptimaler Fahrregime für Schienenfahrzeuge des Stadt- und Vorortverkehrs 5

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vereinfachten Zichtzeitsynthese von optimalen Fahrregimen für eine energiesparende Steuerung von Zügen des Stadt- und Vorortverkehrs durch die Berechnung der die optimalen Fahrregimephasen Anfahrt, Beharrtmgsfahrt, Auslauf und Bremsen definierenden, a. h, begrenzenden geschwindigkeits- und wegabhängigen ümschaitpunkte Abschaltgeschv/indigkeit " ; Abschaltv/eg s.-. und Bremseinsatzpunkt s^ unter Ausnutzen fahrdynainischer Funktionen, die den Zusammenhang zwischen der Fahrzeit t_, und diesen Umschaltpunkten ausreichend beschreiben.

Bekannt ist gemäß dem ,7? 129 761 ein Verfahren, das die Vorausberechnung geschwindigkeits- und wegabhängiger "Jmschaitungen ZvVisehen den einzelnen Fahrregimen einer Zugfahrt für die Fahrzeitvorgaben des Regeioetriebss sowie für ausgewählte weitere Fahrzeitvarianten entsprechend zu erwartenden oder moslich erscheinenden FahrtJianab'/veichungen beinhaltet und diese in einer auf dem Triebfahrzeug zu installierenden S'oeicher- und Steuereinheit vorprogrammiert speichert. Diese Umschalt-

1 a JuL 1982^023 08 D

vorgaben sind vor bzw. zum Zeitpunkt des jeweiligen Fahrtbeginns von der Steuereinrichtung bereitzustellen. Hierbei werden ausschließlich orts- oder orts- und zeitabhängige Plansteuerungen realisiert, bei denen ein direkter Zusammenhang zwischen der Anzahl der zurückgelegten Fahrabschnitte bzw. der aktuellen diskreten Prozeßdauer und der Adresse des Speicherplatzes für das aktuelle optimale Fahrregime besteht. Nachteilig bei diesem Lösungskonzept ist vor allem der auf Grund der zeitlichen Diskretisierung der Prozeßdauer und damit auch der Fahrzeit hohe Speicheraufwand, um die bei notwendigerweise kleinen zeitlichen Diskretisierung sintervallen große Anzahl von Fahrzeit- bzw. Fahrregimevarianten, zu speichern und der Aufwand zur zeit- und wegabhängigen Auswahl der Steuerstrategien.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den technischen und ökonomischen Aufwand für eine energiesparende Zugsteuerung zu'vermindern und durch ein effektives Berechnungsverfahren die algorithmischen Voraussetzungen für ein gerätetechnisches Konzept . zu schaffen, das hinsichtlich seines Raumbedarfes weitestgehend problemlos in einen Fahrzeugführerstand integriert werden kann. Darüber hinaus wird durch die angestrebte kontinuierliche Echtzeitregelung eine im strengeren Sinne der Optimal!tat zutreffendere, d. h. energiesparendere Steuerstrategie durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch üutzen der im Rahmen vorausgegangener Simulations- und Optimierung srechnungen. ermittelten funktionalen Beziehungen zwisehen den Umschaltpunkten ν_ΛΤ., s_A-, sowie s-, und der Fahrzeit t~, die in einfacher Form als Wertepaare, sogenannte Stützstellen, vorhanden sein können, optimale Fahrstrategien für jede beliebige, zwischen einer technisch minimalen und betrieblich bedingten oder zweckmäßigerweise maximalen Fahr-

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zeit einzuordnende, aktuelle Fahrzeit zu synthetisieren und damit energiewirtschaftliche Zugfahrten zwischen zwei planmäßigen Haltepunkten zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die' Aufgabe gelöst, indem die funktionalen Beziehungen für die Schaltpunkte v_iT,, s_AT, sowie S_x, und

der Fahrzeit t-, auf der.Basis diskreter Fahrzeiten und damit F

für diskrete Fahrstrategien durch eine digitale Simulation von Zugfahrten entsprechend den realen Streckenverhältnissen wie Plaitepunktabstand, Weg-Neigungs- und Weg-Geschwindigkeitsprofil und den realen Zug- bzw. Fahrzeugverhältnissen wie Fahrwi derstand, G e schwindigke it s-Z ugkraf t charakteri s t ik, Zugmasse und Bremsverzögerung auf einer stationären EDYA im voraus ermittelt werden

Diese funktionalen Beziehungen v^ = f (t^₍) , s^ = fCt-^) und Sr₃ = fit-,,) können somit zunächst durch diskrete Stützstellen

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beschrieben werden.

Für vereinfachte Bedingungen ist es damit unter Umständen zweckmäßig, die Funktionen v.^ = f (t-n) , s.~ = f(t-n) , s~, = f (t-0

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durch eine stückweise Linearisierung darzustellen und die für beliebige Fahrzeitvorgaben gesuchten Werte ν_Λ3 Ct₁₅,), s^ (t_?) oder S₃ (t_?) durch Geradengleichungen, lineare Interpolationsbeziehungen o. ä. zu ermitteln. Durch eine geeignete Anzahl von Stützstellen können die durch die Linearisierung verursachten Fehler in vertretbaren Grenzen gehalten werden, Die auf dem Fahrzeug zu installierende Bordelektronik hat damit vor allem die Aufgaben der Speicherung der Stützstellen ^νΛ-π> ^S4j5 ^sowi^e Sp ^1an(i t-jj, und der Abarbeitung der erforderlichen Rechengesetze. Die .jeweilige Speicherplatzadresse für die zu dem aktuellen Streckenabschnitt zugehörigen Stützstellen erfolgt durch Summieren der zurückgelegten Streckenabschnitte in einem Abschnittszähler und gleichfalls abgespeicherter Rechenvorschriften unter Uutzung des aktuellen Zählerstandes im Abschnittszähler.. Die Abspeicherung der Werte v.~, s.,-, und S₁₂ wird durch je ein oder mehrere aus 3

i-L_D H V JUJ

bit bestehende Speicherworte realisiert. Die in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrzeitvorgabe ermittelten optimalen Umschaltpunkte ν_Λ-., s_AT, und s-, können sowohl über eine digitale Anzeigevorrichtung an den 'Iriebfahrzeugführer ausgegeben werden und dieser realisiert die eigentliche Zugsteuerung

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(open-loop-Steuerung) als auch unmittelbar an eine selbsttätige Steuereinrichtung übergeben werden (closed-loop-Steuerung), sodaß der Triebfahrzeugführer mit Hilfe der Anzeigevorrichtung im wesentlichen nur eine Kontrollfunktion ausübt. Die bemerkenswerte Charakteristik des Verfahrens auf der Grundlage der Verarbeitung von diskreten Stützstellen besteht darin, daß sowohl Abschaltgeschwindigkeiten als auch Abschaltwege durch nur eine mathematische Vorschrift und mittels eines Stützstellensatzes pro Streckenabschnitt berechnet-werden können. Die 3rgebnisinterpretation und damit die Art und Weise der Fahrregimeempfehlung resultiert dabei unmittelbar aus dem Monotonieverhalten der für jeden Strekkenabschnitt abgespeicherten Folge von Stützstellen.

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ergeben die η Punktionswerte der Stützstellen mit dem Zähiindex. von j = 1 bis .j = η eine monoton fallende Folge im strengen Sinne, so ist jede der Stützsteilen und damit das Berechnungsergebnis als eine Abschaltgeschwindigkeit zu interpretieren. Weicht der Funktionswert der Stützstelle ,j = η von dieser Monotonie ab, wird durch diesen eine Abschaltge- · schwindigkeit repräsentiert; alle übrigen n-1 Funktionswerte werden als Abschaltwege identifiziert. Liegt die verfügbare Fahrzeit im Bereich der Stützstellen .j = n-1 und j = η, erfolgt ein Austausch der j = (n-1)-ten (Weg) - Stützstelle

25- mit der zulässigen strecken- oder fahrzeugabhängigen Höchstgeschwindigkeit, die aus dem Wert der j = .η-ten Stützstelle . über vereinbarte mathematische Beziehungen oder einfache Festlegungen ermittelt werden kann. Der Funktionswert der j = η-ten Stützstelle muß dabei stets einen größeren Betrag als der der j = (n-1)-ten Stützstelle aufweisen, um als Geschwindigkeit erkannt zu werden. Diese Voraussetzung ist bei geeigneter. Zahlendarstellung mit den praktischen Gegebenheiten vereinbar, Der Fall V^₃ (j=n) -== s^ (.j=n-l) ist für die Praxis

gegenstandslos. .

Ausführungsbeispiel;

Die Erfindung soll nachstehend durch Ausführungsbeispiele anhand 5

a) eines reinen v,-, - Stützstellenspektrums (vgl. Abb. 1) und.

b) eines kombinierten v\-, - s_ir> - Stützstellenspektrums (vgl. Abb. 2)

erläutert werden.

Die Abbildungen 1 und 2 sind reine Prinzipdarstellungen zur qualitativen Illustration des Verfahrens und repräsentieren keine quantitativen, physikalischen Hintergrund. Sie zeigen folgende Sachverhalte:

Abb. 1; Funktionaler Zusammenhang

^VAB opt = ^f <V

Abb. 2: Funktionaler Zusammenhang v.-r, _, = f (t-~) kombiniert mit

³AB opt

Abbildung 3 verdeutlicht die wesentlichen Etappen des Test- und Berechnungsverfahrens.

Für das Verfahren (vgl. Abb. 3) sind die verfügbare Fahrzeit (1) aus dem Fahrzeitzwischenspeicher und die Folge der für den zu befahrenden Abschnitt abgespeicherten Stützstellen (2) aus dem Streckendatenspeicher bereitzustellen.

Beispiel a:

Hach der in einem Dekoder (3) erfolgten Stützstellendekodierung beginnt die Abarbeitung des Verfahrens mit einem Test bezüglich des Monotonieverhaltens der Stützstellenfolge (4), dessen Ergebnis im Beispiel einen monoton fallenden Verlauf ergibt, sodais die abgespeicherten Funktionswerte aller Stützstellen als Geschwindigkeitswerte zu interpretieren und

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abzuspeichern sind (5). Mittels eines Suchalgorithmus (6) wird das entsprechend der- verfügbaren Fahrzeit zutreffende Stützstellenintervall ermittelt, Fahrzeiten außerhalb der mittels Stützstellen abgespeicherten Fahrzeitbereiche werden jeweils der Stützstelle .j = 1 bzw. .j = η mit j = 1 (l)n zugeordnet.

Im. Ergebnis der linearen Interpolation zwischen den das Intervall begrenzenden Stützstellen (7) erfolgen die Srgebnisinterpretation (3) sowie die Aufbereitung und Bereitstellung der optimalen Abschaltgeschwindigkeit zur Weiterverarbeitung (9).

Beispiel b:

Resultiert aus dem Monotonietest (4), daß die Monotonie der Stützstellenfolge- durch die j = η - te Stützstelle gestört ist, sind die abgespeicherten Funktionswerte der Stützstellen j = 1 bis ,j = n-1 Abschaltwege; der abgespeicherte Funk-_V,, tioiiswert der Stützstelle j = η ist als eine Abschaltgeschwindigkeit zu interpretieren und ein definierter Speicherbereich' gesondert zu markieren (10). Danach erfolgt die Ermittlung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit (11). Im Verlaufe des Suchalgorithmus (6) zum Auffinden des relevanten Stützstellenintervalls wird gesondert ausgewertet, ob das Intervall [ n-1; η ] zur Interpolation herangezogen wird. Ist die aktuelle Fahrzeit Element dieses durch die Stützstellen "n-1" und "n" begrenzten Intervalles, so erfolgt der Austausch des Funktionswertes der Abschaltwegstützstelle n-1 gegen den Wert der zulässigen Höchstgeschwindigkeit, -der die .jeweiligen Wertevorräte für die Abschaltgeschwindigkeit und den Abschaltweg begrenzt.

Entsprechend trägt die optimale Fahrempfehlung Geschwindig- keitscharakter; hingegen beinhaltet sie bei Interpolation im Bereich der übrigen Stützstellen einen Abschaltweg.

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Hierzu 3 Abbildungen

Claims

- τ - L 4 i / I i 4 SrfindungsansOruch.

1. Verfahren zur energieoptimaien Steuerung von Schienenfahrzeugen, gekennzeichnet dadurch, daß dis energieoptimale Fahrstrategie, die in Form der Vorgaben für die Fahrregimeuinschaltungen zwischen den Phasen Anfahrt und Auslauf, Beharrungsfahrt und Auslauf sowie Auslauf und Bremsen ermittelt wird, das Ergebnis einer vereinfachten Schtzeitsynthese an Bord des Tri-ebfahrzeuges ist, wobei als mathematisch-physikalische Grundlage abgespeicherte fahrdynamische Gesetzmäßigkeiten zur energiewirtschaftlichen Fahrweise, repräsentiert durch funktionale Zusammenhänge zwisehen der Abschaltgeschwindigkeit τ,,, dem Abschaltweg S^₅ sowie dem Bremseinsatzpunkt S₃ und der aktuellen Fahrzeitvorgabe t_p für den zu befahrenden Streckenabschnitt fungieren und auf der Basis dieser Funktionale für jede beliebige Fahrzeitvorgabe die jeweils optimalen Umschaltpunkte Abschaltgeschwindigkeit, Abschaltweg und Bremsweg und damit die optimale Fahrstrategie synthetisiert werden.

2. Yerfahren nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß die die energieoptimale Fahrweise charakterisierenden funktionalen Zusammenhänge

V₄₃ SfCt₅₁) und

^SA3 = ^f

= f

(t_F)

im voraus auf einer stationären 3LVA durch Simulationsund Optimierungsrechnungen ermittelt werden. Dabei finden die zu vereinbarenden Zugparameter wie Masse, Fahrwiderstände, Zugkraft- und Geschwindigkeitsdiagramm, sowie für .jeden Streckenabschnitt die Streckenparameter als wegabhängiges ileigungs- und Geschwindigkeitsleid Berücksichtigung.

3. Verfahren nach Punkt 1, und 2., gekennzeichnet dadurch, daß die unter Punkt 2. genannten funktionalen Zusammen-

-s- . V4 1 ΊΊ 6 4

hänge stückweise linearisiert werden, so daß sich die Speicherung der Funktionsverläufe auf eine endliche Anzahl von Wertepaaren (Stützsteilen) der Form

A3 opt * ~
^SAB opt (^k) = ^f (

³B opt ^{(k) = f (S}B ^(k'^i}' % (^k'i))

. mit ' i = 1 (1) η

beschränkt, wobei der Index k den aktuellen Streckenabschnitt symbolisiert.

4. Verfahren nach Punkt 1. bis 3., gekennzeichnet dadurch,

- daß die Abspeicherung der Stützstellen kombiniert und komprimiert innerhalb eines oder mehrerer 3-bit-Speicherworte erfolgt, so daß der eigentlichen Optimierungsrechnung die Darstellung von v,~, S₁-, sowie s^ und t-, als separate 1 -

Ais Ai5 _ö jj oder 2-Byte-Worte mittels einer Datendecodierung vorausgeht .

5. Verfahren nach Punkt 1. bis 4., gekennzeichnet dadurch, daß eine vereinfachte aber hinsichtlich der Snergieeinsparung und Pünktlichkeit ausreichend effektive Steuerstrategie auf die Optimierung des Bremseinsatzpunktes verzichtet und sich lediglich auf die Berechnung und Realisierung der optimalen ümsehaltpunkte Abschaltgeschwindigkeit ν.ρ und Abschaltweg s_än und auf die Realisierung der damit verbundenen Fahrregimephasen stützt.

6. Verfahren nach Punkt 1. bis 5., gekennzeichnet dadurch, daß zur Berechnung von Abschaltgeschwindigkeiten, Abschaltwegen oder der Kombination beider nur ein Stützstellensats mit einheitlich η Elementen und mit einheitlichen Datenformaten existent ist.

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7. Verfahren nach Punkt 1. bis 4., gekennzeichnet dadurch, daß die optimale Fahrstrategie und die die einzelnen Fahrregime begrenzenden optimalen Umschaltpunkte auf der Basis von maximal η = 4 Stützstellen hinsichtlich der Snergieeinsparung und Pünktlichkeit sowie der praktischen Reali- sierbarkeit ausreichend genau approximiert werden.

8. Verfahren nach Punkt 1. bis 7., gekennzeichnet dadurch, daß das Monotonieverhalten der abgespeicherten Funktionswerte' entscheidet, ob die ermittelten. Funktionswerte der - - Steuerstrategie als Abschaltgeschwindigkeit oder als Abschaltgeschwindigkeit und Abschaltweg zu interpretieren K-J sind.

9. Verfahren nach Punkt 1. bis 3., insbesondere nach Punkt 8., gekennzeichnet dadurch, daß in Abhängigkeit von der verfügbaren Fahrzeit entweder eine Abschaltgeschwindigkeit (V^₂) oder ein Abschaltweg ( s^-g) bei gleichzeitiger Ermittlung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit berechnet wird.

10. Verfahren nach Punkt 1. bis 9·, gekennzeichnet dadurch, daß die das entsprechend der aktuellen Fahrzeitvorgabe relevante Interpolationsintervall begrenzenden Stützstel-

,/"-· 25 len· durch einen Suchalgorithmus mit n-1 oder im Interesse "~" einer vordringlich minimalen Rechenzeit mit n-2 'Suchschritten ermittelt werden.

11. Verfahren nach Punkt 1. bis 10., gekennzeichnet dadurch, daß, wenn Fahrzeitvorgaben durch übergeordnete Optimierungsvorschriften oder durch besonderen betrieblichen Situationen außerhalb des für die Fahrregimeoptimierung zugelassenen und durch die Stützstellen j = 1 und j = η begrenzten Optimierungsbereiches liegen, durch Grenzwerttests und Vergleiche die den Funktionswerten der Stützstellen .j = l bzw, j = η zugeordneten Fahrstrategien als optimale und zuglaich praktikable Fahrregimeempfehlung ermittelt werden.

12. Verfahren nach Punkt 1. bis 11., gekennzeichnet dadurch, daß die Ermittlung der Funktionswerte ν_ΛΤ, und s.^ gemäß einer linearen Interpolationsvorschrift erfolgt und damit der arithmetische Aufwand der Svntheselösung an Bord des Triebfahrzeuges auf die Lösung der Zweipunktegleichung minimiert wird.

. 13« Verfahren nach Punkt 1. bis 12., gekennzeichnet dadurch,

daß eine alphanumerische Anzeige, gekoppelt mit einer akustischen Signaleinrichtung, die Umschaltpunkte zwischen den Phasen des Fahrregimes zur Information für den Triebfahrzeugführer, bereitstellt.

.14. Verfahren nach Punkt 1. bis 13·, gekennzeichnet dadurch, daß bei Erreichen des Umschaltpunktes in das Fahrregime "Auslauf¹¹ eine automatische Abschaltung der Antriebseinrichtung erfolgt.

15. Verfahren nach Punkt 1. bis 14., gekennzeichnet dadurch, daß der Bremseinsatzpunkt unter Berücksichtigung . der aktuellen Geschwindigkeit

. der vom Fahrzeug realisierbaren Bremsverzögerung sowie .des bis zum Zielpunkt verfügbaren Fahrweges ermittelt und damit der Zusammenhang s-, = f (t-,) durch eine Rechenvorschrift höherer Priorität überlagert wird.

Hierzu ^__Seiien Zeichnungen